水-岩耦合作用下花岗岩力学特性试验研究

摘要

深部围岩在高围压和高孔隙水压力条件下所表现出来特殊的力学性质一直是影响煤矿深部开挖的问题，也是岩石力学需要解决的关键问题。选取花岗岩为研究对象，通过室内试验模拟岩石在深部时的水-岩耦合条件，对花岗岩的强度和变形特性进行了研究。基于试验结果，以能量原理为基础分析了花岗岩变形破坏全过程，主要的研究内容如下:
　　通过四组围压和四组孔隙水压力对比试验的结果，分析得出水-岩耦合作用时围压对花岗岩强度的影响要远大于孔隙水压力。引用有效应力的概念，分析了有效围压对花岗岩有效峰值强度的作用效果，得出水-岩耦合作用下花岗岩有效峰值强度与有效围压为二次函数的关系，花岗岩有效剪切强度和有效正应力基本符合摩尔库伦强度准则，而且可以通过有效峰值强度折减系数来描述孔隙水压力对有效峰值强度的折减效果。
　　通过分析不同水-岩耦合作用条件下体积应变与应力的关系，得出水-岩耦合作用下花岗岩扩容起点随着围压的增大而发生滞后，随着孔隙水压力的增大而有提前现象。以应变软化参数为中间桥梁，对水-岩耦合作用下花岗岩峰后应变软化阶段的力学参数进行分析，得出随着应变软化参数的增大广义粘聚力不断减小，相同应变软化参数对应的广义内摩擦角随着孔隙水压力的增大也有减小趋势，广义内摩擦角基本保持不变。
　　在对水-岩耦合作用下花岗岩基本力学特性有了初步了解的基础上，以能量原理为基础对水-岩耦合作用下花岗岩的变形破坏全过程进行了解释，然后对基于能量原理破坏准则的参数进行修正，得出了适用于水-岩耦合作用下花岗岩的破坏准则。将水-岩耦合作用下理论计算的花岗岩破坏强度与试验结果和霍克-布朗破坏准则计算结果的进行对比，得出了修正后基于能量原理的破坏准则是偏安全的，可以作为以后工程应用的理论基础。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩石力学性质研究现状

1．2．2 水-岩耦合研究现状

1．3 研究内容及方法

2 水-岩耦合作用基础理论

2．1 水的物理性质

2．1．1 水的粘滞性

2．1．2 水的压缩系性

2．1．3 水的表面张力

2．2 岩石的水力特性

2．2．1 岩石的不均匀性

2．2．2 岩石的孔隙性

2．2．3 岩石的渗透性

2．3 水-岩耦合作用机理

2．3．1 水对岩石力学特性的影响

2．3．2 水-岩耦原理分析

2．4 本章小结

3 水-岩耦合作用下花岗岩力学特性试验

3．1 花岗岩岩性

3．1．1 花岗岩基本物理试验

3．1．2 花岗岩渗透性试验

3．1．3 花岗岩单轴试验

3．2 花岗岩水-岩耦合室内试验

3．2．1 岩样筛选过程

3．2．2 岩样制取

3．2．3 试验主要设备

3．2．4 试验方法

3．2．5 试验结果

3．3 本章小结

4 水-岩耦合作用下花岗岩峰前力学特性研究

4．1 岩石有效应力

4．1．1 有效应力系数讨论

4．1．2 有效应力系数确定

4．2 水-岩耦合作用下花岗岩强度特性研究

4．2．1 水-岩耦合作用下花岗岩有效峰值强度

4．2．2 孔隙水压力对花岗岩有效峰值强度影响

4．2．3 水-岩耦合作用下花岗岩有效剪切强度

4．3 水-岩耦合作用下花岗岩变形特性研究

4．3．1 水-岩耦合作用下岩石的扩容现象

4．3．2 孔隙压力对扩容起点影响分析

4．4 本章小结

5 水-岩耦合作用下花岗岩峰后力学特性研究

5．1 水-岩耦合作用下花岗岩残余强度

5．2 水-岩耦合作用下花岗岩应变软化阶段力学特性

5．2．1 岩石应变软化参数

5．2．2 水-岩耦合作用下花岗岩峰后强度

5．2．3 孔隙水压力对花岗岩峰后强度参数影响

5．3 本章小结

6 水-岩耦合作用下基于能量原理花岗岩破坏准则研究

6．1 花岗岩破裂过程的能量分析

6．1．1 岩石三轴压缩全过程能量转化

6．1．2 耗散能和可释放应变能

6．2 基于能量原理的花岗岩破坏准则

6．2．1 水-岩耦合作用下岩石能量释放率

6．2．2 水-岩耦合作用下基于能量原理岩石破坏准则

6．2．3 水-岩耦合作用下参数Np的确定

6．3 基于能量原理岩石破坏准则验证

6．3．1 Hoek-Brown破坏准则

6．3．2 基于能量原理岩石破坏准则正确性验证

6．4 本章小结

7 结论及展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历

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